纳米TiO2对直接湖蓝-5B染料的降解

环境污染与防治 网络版 第 7 期 2006 年 7 月 1 纳米纳米 TiO2粉体的制备及其对直接湖蓝粉体的制备及其对直接湖蓝 5B 染料的降解染料的降解 孙彦刚 1 上海工程技术大学化学化工学院 上海 201600 摘要摘要 以钛酸丁酯为主要原料 利用溶胶 凝胶法合成了纳米 TiO2粉体 研究了不同焙烧温度 不同光源对样品光催化性能的影响 发现 500 焙烧后的催化剂 在阳光与紫外光下都具有较好的催 化效率 关键词关键词 纳米 TiO2 光催化 直接湖蓝 5B 染料 Preparation of titanium dioxide nanoparticles and its photocatalytic degradation to direct shy blue 5B Sun Yangang College of Chemistry and Chemical Engineering Shanghai University of Engineering Science Shanghai 201600 Abstract TiO2 nanoparticles were synthesized using Butyl titanate by sol gel method Its photocatalytic activity in the different calcination temperature and light source was investigated It was found that the sample of 500 calcination have higher the photocatalytic activity under sunlight or xenon lamp Keywords TiO2 nanoparticles Photocatalytic Direct shy blue 5B 随着工农业的发展 人类有限的水资源受到日益严重的污染 污染源主要是工业 排放的废水 其中染料废水是我国目前几种难治理的行业废水之一 染料和印染工业的 迅速发展 对环境的危害也日趋严重 这些污染影响了人类的生存 解决水污染问题也 越发迫切 逐渐发展起来的半导体光催化技术为解决这一问题提供了良好的途径 1 光催化技术由于采用了转化处理而不是简单的分离处理 因而比较适合处理废水 2 在半导体光催化剂材料 TiO2 ZnO CdS WO3 SnO2 Fe2O3中 TiO2因其活性高 稳定 性好 对人体无害而成为最受欢迎的一种催化剂 3 但是 TiO2主要利用紫外光实现光 催化过程 如何拓宽其对波长的响应范围 实现阳光下催化是个必须面对的问题 4 本实验通过溶胶 凝胶法制备的纳米 TiO2粉体 研究了其在不同光源下对直接湖蓝 5B 染料的降解效率 获得了较好的结果 1 实验部分实验部分 1 1 试 剂 钛酸丁酯 化学纯 异丙醇 分析纯 冰醋酸 分析纯 浓盐酸 分析纯 1 2 仪 器 美国 Thermo Nicolet 公司 FTIR AVATAR 370 型红外光谱仪 KBr 稀释压片 扫描区间 4000 5000 cm 1 分辨率 4 cm 1 扫描次数 32 次 日立公司的 H 600 型电子显 微镜 UV 1601PC 型紫外光谱仪 RJX 5 13 高温箱式电阻炉 1第一作者 孙彦刚 男 1971 年生 硕士 讲师 主要从事纳米功能材料的研究 上海市科委纳米基金资助项目 No 0352nm075 上海工程技术大学青年基金资助项目 Q0025 环境污染与防治 网络版 第 7 期 2006 年 7 月 2 1 3 实验方法 1 3 1 纳米 TiO2粉体的制备 采用溶胶 凝胶法中的醇盐水解法制备纳米 TiO2粉体 取一定量的钛酸丁酯 先将 钛酸丁酯用 2 3 的异丙醇溶剂和冰醋酸稀释 然后将去离子水 浓盐酸 与另外的 1 3 异 丙醇溶剂混合 在搅拌条件下 将水 盐酸 溶剂的混合液逐滴加入到钛酸丁酯 冰醋 酸与溶剂的混合液中 混合液首先形成胶体 然后逐渐失去流动性变成凝胶 经 80 干 燥 研磨得 TiO2粉体 将粉体分成 5 份 分别在 80 200 400 500 700 下处理 2 h 取出自然冷却至室温 分别获得 1 2 3 4 5 号样品 透射电镜观察结果表明试样 粒径在 8 15 nm 1 3 2 样品对直接湖蓝 5B 染料光催化降解 配制 0 01 g L 的直接湖蓝 5B 染料溶液 将催化剂与染料溶液混合组成悬浮液 光 源采用太阳光 20 W 紫外灯 用紫外 可见分光光谱仪测定染料溶液吸收光谱变化 实 验采取如下两种不同的过程 1 样品的光催化活性检测 取 0 01 g L 染料溶液 100 mL 置于 200 mL 烧杯中 共取五份 上述溶液中分别加入 30 mg 的 1 2 3 4 5 号热处理 试样作为催化剂 这 5 份溶液在搅拌 20 W 紫外灯照射下进行降解 灯管与液面距离为 5 cm 降解时间为 1 h 然后分别取样进行检测和分析 2 不同光源下催化剂活性测试 取染料溶液 100 mL 三份分别置于 200 mL 烧杯中 2 份溶液中分别加入 30 mg 的 4 号 TiO2粉体 在搅拌的条件下 将 2 份溶液分别放于阳光下 20 W 紫外灯下 没有加入催 化剂的烧杯置于室内非阳光直射处 2 h 后取样分析 2 结果与讨论结果与讨论 2 1 纳米 TiO2粉体的红外光谱 催化剂粒子表面吸附物种与吸附量直接影响催化活性 图 1 是样品的红外吸收光谱 图中五条谱线由上至下分别对应 1 2 3 4 5 号样品 其中 2800 3200 cm 1处的吸 收峰是粉体中物理吸附水的 OH 基团伸缩振动与亚甲基 CH2 弯曲振动引起的 1624 cm 1处的吸收峰是由化学吸附水中 OH 基团弯曲振动导致 1533 cm 1处的吸收峰对应于 C O 的伸缩振动 1438 1077 cm 1处的吸收峰产生于 CH3 CH2基团中的 C H 的弯曲 振动 扭转振动 800 cm 1附近的蓝移宽化吸收峰主要来源于 TiO6 八面配位体的振动 5 这表明粉体表面吸附有羰基 羧基 甲基 亚甲基 羟基等基团 200 焙烧后的粉末 吸收峰位置不变 强度略有增强 随着焙烧温度上升 400 时原有吸收强度明显减弱 并出现新的吸收峰 这可能与 TiO2的表面性质变化有关 至 500 时这些基团表征的吸 收峰已显著降低 新的吸收峰趋于消失 700 上述各吸收峰趋于零 可见纳米 TiO2粉 体表面吸附各种有机集团时吸附力不同 6 有机集团吸附量随焙烧温度的变化而变化 焙烧温度在 500 时 TiO2粉体表面吸附的的有机基团很少 并有一定的吸附力 环境污染与防治 网络版 第 7 期 2006 年 7 月 3 图图 1 1 不同温度焙烧的不同温度焙烧的 TiOTiO2 2粉体的粉体的 IRIR 谱图谱图 2 2 焙烧温度对纳米 TiO2粉体光催化活性的影响 图 2 是不同温度焙烧时制得的 TiO2样品光催化降解直接湖蓝 5B 溶液的紫外可见 光谱图 0 号谱线表示原始染料溶液的紫外可见光谱图 其余的谱线标号与样品号一一 对应 从图中可以看出 未经焙烧的 TiO2粉末催化效果最好 然而当催化剂失去活性后 再生效果很差 可能是由于失活过程中 催化剂表面活性点被吸附物覆盖 而 80 低温 再生过程又不能去除吸附物 7 催化剂活性受到抑制 500 焙烧后的样品催化效果较好 再生后催化剂活性恢复 90 这与红外分析结果一致 图图 2 2 不同焙烧温度制备的催化剂降解直接湖蓝不同焙烧温度制备的催化剂降解直接湖蓝 5B5B 紫外可见光谱紫外可见光谱 2 3 不同光源对纳米 TiO2粉体光催化活性的影响 图 3 为 4 号催化剂样品在不同光源下 对直接湖蓝 5B 染料的降解光谱 其中 a b c 三条谱线的光照条件分别为室内非阳光直射处 紫外光 阳光 可以看出 阳光 下染料的降解量最大 紫外光下降解量略小 但紫外光下染料吸收峰以外的背景更低 即副产物更少 从环保节能角度考虑 使用阳光作为催化剂光源是适宜的选择 环境污染与防治 网络版 第 7 期 2006 年 7 月 4 图图 3 3 不同光源下催化剂对直接湖蓝不同光源下催化剂对直接湖蓝 5B5B 的降解光谱的降解光谱 3 结结 论论 1 催化剂表面性质影响催化剂性能 500 焙烧后的样品催化效果较好 催化剂 再生效率为 90 2 不同光源下的催化剂对直接湖蓝 5B 染料的降解研究表明 500 焙烧后的催化 剂 在阳光和紫外光下都具有较高的催化活性 参考文献参考文献 1 Yang J Chen C C Ji H W et al Mechanism of TiO2 assisted photocatalytic degradation of dyes under visible irradiation photoelectrocatalytic study by TiO2 film electrodes J J Phys Chem B 2005 109 21900 21907 2 Herrmann J M Guillard C Pichat P Heterogeneous photocatalysis an emerging technology for water treatment J Catalysis Today 1993 17 7 20 3 胡季帆 陆宏良 隋振贵 等 纳米 TiO2对农药的降解 J 稀有金属材料与工程 2003 32 4 280 282 4 彭峰 陈水辉 张雷 等 纳米 ZnO 薄膜的制备及其可见光催化降解甲基橙 J 物理化学学报 2005 21 9 944 948 5 Wen B M Liu C Y Liu Y Depositional characteristics of metal coating on single crystal TiO2 nanowries J J Phys Chem B 2005 109 12372 12375 6 Gong X Q Selloni A Reactivity of anatase TiO2 nanoparticles the role of the minority 001 surface J J Phys Che